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新形式的硅:将可实现新一代的电子和能源设备

硅是一种化学元素,其化学符号为 Si,原子序数为14,原子量为28.085 u。

新形式的硅:将可实现新一代的电子和能源设备

硅在人类生活中发挥着巨大的作用,当与其他元素混合时,它对我们的许多建筑和基础设施项目至关重要。它常以二氧化硅或硅酸盐等多样的形式广泛分布于土壤、沙和小行星和行星中。地壳的组成超过九成是硅酸盐类物质,使得硅成为地壳中含量第二的元素,仅次于氧。

大多数电离的硅被用于炼钢、铸铝和高质量的化学工业上。更为突出的是,高纯度硅在半导体集成电路一种必要的元素,大部分的电脑、手机及现代科技产品都离不开它。处于美国加利福尼亚的历史悠久的高科技中心,取名为“硅谷”,足见硅在当今科技中的重要地位。

与所有元素一样,硅可以采用不同的晶体形式,称为同素异形体,就像软石墨和超硬金刚石都是碳的形式一样。电子设备,如计算机和太阳能电池板中最常用的硅的形式与金刚石具有相同的结构。尽管它无处不在,但这种形式的硅实际上并不是完全可以针对下一代应用进行优化,包括高性能晶体管和一些光伏设备。

虽然理论上可能存在许多具有增强物理性质的不同硅同素异形体,但由于缺乏目前可用的已知合成途径,因此在实践中只存在少数几种。今天的科技产品中所使用的是立方体形式的硅。

新形式的硅:将可实现新一代的电子和能源设备

最近,卡内基科学研究所和加州大学伯克利分校的一个团队开发了一种新方法,用于合成具有六边形结构的新型硅晶体形式,该方法有可能用于制造具有增强性能的下一代电子和能源设备,性能“超常”。“

卡内基科学研究所(英语:Carnegie Institution for Science),是美国一家资助与进行科学研究的机构。截至2020年6月30日,研究所共获得资金9.2亿美元。

这种据称为“具有革命性的新型硅”,为 Si24,它具有由一系列一维通道组成的开放框架。研究团队使用 Si24 作为多阶段合成途径的起点,产生了一种称为 4H-Si 的高度取向晶体,以六边形结构中的四个重复层命名。

如图所示垂直于六边形轴观察的 4H-Si 结构的可视化。显示堆叠顺序的透射电子显微照片显示在背景中。

新形式的硅:将可实现新一代的电子和能源设备

对六方硅的探索可以追溯到 1960 年代,因为可调电子特性的可能性,这可以提高立方体以外的性能。之前合成的六方形式的硅,只能通过薄膜的沉积或作为与无序材料共存的纳米晶体来合成。新展示的 Si24 途径产生了第一个高质量的块状晶体,作为未来新科技研究的基础。

新形式的硅:将可实现新一代的电子和能源设备

使用由该团队成员已经开发出的一个名为 PALLAS的高级计算工具预测结构转变路径,例如水在加热时如何变成蒸汽或在冻结时如何变成冰的途径,该研究能够理解从 Si24 到 4H-Si 的转变机制,以及允许保存高度定向的产品晶体的结构关系。

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PALLAS,英文全称:Parallel Applications, Libraries, Languages, Algorithms, and Systems,意为:并行应用程序、库、语言、算法和系统。

该高级计算工具认为,为新一代高度并行微处理器开发应用程序是我们这个时代最突出的编程挑战。它的目标是让领域专家,而不仅仅是并行编程专家,能够高效地开发并行应用程序。该高级计算工具的研究假设并行程序设计的关键是软件架构,而其有效实施的关键是框架。

在其方法中,软件架构和相应框架的基础是设计模式和模式语言。借用土木建筑术语设计模式意味着解决领域专家学习的重复设计问题。模式语言是一种在设计模式集合中导航以产生设计的有组织的方式。模式语言 (Our Pattern Language,OPL) 的计算元素是由一系列主要从 13 个图案中提取的计算模式构成的。这些被视为基本软件构建块,然后使用从常见软件架构风格,例如管道和过滤器中提取的模式语言结构模式进行组合。软件架构是计算和结构模式的分层组合,随后使用较低级别的设计模式对其进行改进。

新研发的这种块状、高度定向、结晶的合成4H 六方硅 (4H-Si),在加热单晶 Si24 同素异形体时发生亚稳态相变。值得注意的是,所得的 4H-Si 微晶与 Si24 晶体具有取向关系,表明两相之间存在结构关系。光吸收测量表明 4H-Si表现出接近 1.2 eV 的间接带隙,与第一性原理计算一致。与先前仅产生纳米晶无序材料的转变路径相比,亚稳态晶体转变途径提供了一种获得块状晶体 4H-Si 的新途径。

研究人员表示说,“除了扩大我们对新结构合成的基本控制之外,块状 4H 硅晶体的发现为通过应变工程和元素替代调整光学和电子特性的令人兴奋的未来研究前景打开了大门,” “我们可能会使用这种方法来制造晶种,以生长大量 4H 结构,其特性可能超过金刚石硅。”

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